CN1996495B

CN1996495B - 有机存储器之位单元

Info

Publication number: CN1996495B
Application number: CN2005101359012A
Authority: CN
Inventors: 张维仁; 许世玄; 林展瑞
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-12-31
Filing date: 2005-12-31
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2025-12-31
Also published as: CN1996495A

Abstract

本发明提供一种有机存储器之位单元，其包括有机存储单元、第一晶体管、电流镜、以及第二晶体管。写入时第一晶体管致动而读出时第二晶体管致动，以导通数据线与有机存储单元，且第一晶体管的尺寸大于第二晶体管的尺寸，因此，可以同时兼顾写入时有较大的传导电流而读出时有较快的处理时间。另外，电流镜放大读取时的传导电流，增加与邻近位单元互相干扰的抵抗能力。

Description

有机存储器之位单元

技术领域

本发明涉及一种利用有机材料所制造的有机存储器，且特别涉及一种有机存储器之位单元阵列中的位单元。

背景技术

近年来，一种双稳态(bistable)材料被应用于制造存储元件以及开关切换器等，此种双稳态材料包括无机材料以及有机材料(organic material)，且此种双稳态材料随着施加于其上之电压的不同，而在高阻抗状态与低阻抗状态之间转换。值得注意的是，将这种有机材料设置于两个电极之间而制造出的多稳态存储元件具有成为新一代的非易失存储元件的潜力。

相对于硅基元件(silicon-based device)，以有机材料所制造的有机元件具有较佳之延展性与可弯曲性等优点，且由于有机材料几乎可以涂布于任何表面上，因此，使得在具有弹性的塑料基底上形成有机存储器阵列成为可能，另外，有机材料可在硅工艺完成后才来制造与处理，更进一步简化了整个工艺。故由于上述优点与特性，将来必定有愈来愈多的印刷工艺(printing manufacturing process)被发展来应用于有机元件的量产上，而使得有机元件的成本显著降低，且应用更为广泛。

图1为一种有机存储器内有机存储单元之理想化特性曲线图，此有机存储单元使用有机材料来制造，请参照图1。此有机存储单元至少具有双稳态特性，亦即，至少可处于高阻抗状态或低阻抗状态。当有机存储单元处于高阻抗状态时，其偏压电压与传导电流之间的关系如路径110所示，故当有机存储单元处于高阻抗状态，然后施加偏压电压V_R于此有机存储单元，则流经此有机存储单元之传导电流为I₀。当施加的偏压电压超过V_T1后，则此有机存储单元从处于高阻抗状态转为处于低阻抗状态，而后，其偏压电压与传导电流之间的关系如路径120所示，故当有机存储单元处于低阻抗状态，且所施加之偏压电压为V_R，则流经有机存储单元之传导电流为I₁，其中I₁＞＞I₀。而后，当施加的偏压电压低过V_T0后，则此有机存储单元又从处于低阻抗状态转为处于高阻抗状态。请注意，图1之特性曲线明显地被理想化了，随着有机存储单元所使用之有机材料的不同，其特性曲线或有些不同，但基本上有机存储器所利用的特性，并不超出上述解释图1之理想化特性曲线的范畴。

由上述可知，使用具有至少双稳态特性之有机材料所制造的有机存储器将具有弯曲包容的能力，而可以被应用在具有软电子元件的有弹性可弯曲系统中，更重要的是成本不高，故必将成为现代电子应用中一种最重要的电子存储元件之一。因此，发展出一种实用可行且完整的有机存储器刻不容缓，而其中，发展出一种读写存取快速的有机存储器的位单元更是重要关键。

发明内容

本发明的目的就是提供一种有机存储器之位单元，其可以同时兼顾写入时有较大的传导电流而读出时有较快的处理时间，达到读写存取快速的目的，并且与邻近位单元互相干扰的抵抗较佳，进而组成一种量产且实用可行的存储器元件。

从一种观点来看，本发明提出一种有机存储器之位单元，此位单元连接至数据线、写入选择线、以及读出选择线，此位单元包括：有机存储单元、第一晶体管、以及第二晶体管。其中，位信息是存储在有机存储单元中，而第一晶体管之第一源/漏极连接至数据线，第一晶体管之栅极连接至写入选择线，且第一晶体管之第二源/漏极连接至有机存储单元，另外，第二晶体管之第一源/漏极也连接至数据线，第二晶体管之栅极连接至读出选择线，且第二晶体管之第二源/漏极连接至有机存储单元。

依照本发明的实施例所述，上述有机存储器之位单元中之第一晶体管的尺寸大于第二晶体管的尺寸。当写入选择线之信号致动时，第一晶体管将有机存储单元连接至数据线，以写入位信息至有机存储单元；当读出选择线之信号致动时，第二晶体管将有机存储单元连接至数据线，以根据流经有机存储单元之传导电流，来感测有机存储单元之位信息。

从另一种观点来看，本发明另提出一种有机存储器之位单元，此位单元连接至数据线、写入选择线、以及读出选择线，此位单元包括：有机存储单元、第一晶体管、电流镜、以及第二晶体管。位信息是存储在有机存储单元中，而第一晶体管之第一源/漏极连接至数据线，第一晶体管之栅极连接至写入选择线，且第一晶体管之第二源/漏极连接至有机存储单元。上述电流镜具有第一端及第二端，此第二端连接至数据线，且流经第二端之电流为流经第一端之电流的N倍，N大于等于1。第二晶体管之第一源/漏极连接至电流镜之第一端，第二晶体管之栅极连接至读出选择线，第二晶体管之第二源/漏极连接至有机存储单元。

依照本发明的实施例所述，上述有机存储器之位单元中的电流镜包括第三晶体管以及第四晶体管，第三晶体管之第一源/漏极连接至电源，第三晶体管之栅极连接至第三晶体管之第二源/漏极，第三晶体管之第二源/漏极连接至电流镜之第一端，而第四晶体管之第一源/漏极也连接至电源，第四晶体管之栅极连接至第三晶体管之栅极，第四晶体管之第二源/漏极连接至电流镜之第二端。

上述有机存储器之位单元中之第一晶体管的尺寸大于第二晶体管的尺寸。当写入选择线之信号致动时，第一晶体管将有机存储单元连接至数据线，以写入位信息至有机存储单元，当读出选择线之信号致动时，第二晶体管将有机存储单元连接至电流镜之第一端，则可从数据线上电流的大小来感测有机存储单元之位信息。

从再一种观点来看，本发明再提出一种有机存储器之位单元，此位单元连接至数据线、写入选择线、以及读出选择线，此位单元包括：有机存储单元、第一开关元件、以及第二开关元件。位信息是存储在有机存储单元中，而第一开关元件具有第一端、第二端及控制端，第一开关元件之第一端连接至数据线，第一开关元件之控制端连接至写入选择线，且第一开关元件之第二端连接至有机存储单元，另外，第二开关元件也具有第一端、第二端及控制端，第二开关元件之第一端连接至数据线，第二开关元件之控制端连接至读出选择线，第二开关元件之第二端连接至有机存储单元。其中，当写入选择线之信号致动时，第一开关元件将有机存储单元连接至数据线，以写入位信息至有机存储单元，当读出选择线之信号致动时，第二开关元件将有机存储单元连接至数据线，以感测有机存储单元之位信息。

依照本发明的实施例所述，其中是根据流经有机存储单元之传导电流，来感测有机存储单元之位信息。另外，为增加读取时信号强度，上述有机存储器之位单元还可包括介于第二开关元件与数据线之间的电流镜，此电流镜具有第一端及第二端，电流镜之第一端连接至第二开关元件之第一端，电流镜之第二端连接至数据线，且流经第二端之电流为流经第一端之电流的N倍，N大于等于1。

依照本发明的实施例所述，上述三种观点的有机存储器之位单元中的有机存储单元包括两个电极以及设置于两个电极之间的有机材料混合层。

值的注意的是，本发明所提供之有机存储器之位单元可以用来组合成非易失存储器。

综上所述，本发明所提出之有机存储器之位单元，至少包括了写入时致动的第一晶体管及读出时致动的第二晶体管，且第一晶体管的尺寸可以大于第二晶体管的尺寸，因此，可以同时兼顾写入时有较大的传导电流而读出时有较快的处理时间。另外，还可包括电流镜，来放大读取时的传导电流，增加与邻近位单元互相干扰的抵抗能力，进而组成一种量产且实用可行的存储器元件。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为一种有机存储器内有机存储单元之理想化特性曲线图。

图2为本发明一实施例之一种有机存储器的电路方框图。

图3为本发明一实施例之一种有机存储器之位单元的电路图。

图4为本发明另一实施例之一种有机存储器之位单元的电路图。

图5为图3之有机存储器之位单元的运行时序图。

图6为本发明再一实施例之一种有机存储器之位单元的电路图。

主要元件标记说明

110：有机存储单元处于高阻抗状态时之特性路径

120：有机存储单元处于低阻抗状态时之特性路径

210：位单元阵列

220_1，220_2，...，220_j：数字感测电路

310：有机存储单元

320：第一开关元件

322，332，432，442，444，612，614，616：晶体管

324，326，328，334，336，338，446，448：端点

330：第二开关元件

440：电流镜

BL_1，BL_2，BL_j，BL_m：数据线

M(1，1)，M(2，1)，M(j，1)，M(1，i)，M(2，i)，M(j，i)：位单元

RWL_1，RWL_i，RWL_n：读出选择线

WWL_1，WWL_i，WWL_n：写入选择线

具体实施方式

图2为本发明一实施例之一种有机存储器的电路方框图，请参照图2。本发明所提出之一种有机存储器包括：i个写入选择线WWL_1，...，WWL_i、i个读出选择线RWL_1，...，RWL_i、j个数据线BL_1，BL_2，...，BL_j、位单元阵列210、以及j个数字感测电路220_1，220_2，...，220_j。而位单元阵列210中包括多个位单元M(1，1)，M(2，1)，...，M(j，1)，...，M(1，i)，M(2，i)，...，M(j，i)。为了容易表示，将一组写入选择线WWL_n与读出选择线RWL_n称之为第n对选择线，由图中可知，每一数据线与每一对选择线间至少连接有这些位单元中的一个，而每一数字感测电路220_1，220_2，...，220_j分别连接至对应的这些数据线BL_1，BL_2，...，BL_j。其中，为了容易清楚地表达，故定义位单元列B(n)为连接至第n对选择线之所有位单元M(1，n)，M(2，n)，...，M(j，n)，且定义位单元M(m，n)为连接至第m个数据线与第n对选择线之位单元，上述i、j、m、n皆为大于零的正整数(自然数)，且n＜＝i，m＜＝j。

图3为本发明一实施例之一种有机存储器之位单元的电路图，请参照图3。图中表示出有机存储器之位单元M(m，n)，此位单元M(m，n)连接至数据线BL_m、写入选择线WWL_n、以及读出选择线RWL_n，此位单元M(m，n)包括：有机存储单元310、第一开关元件320、以及第二开关元件330。有机存储单元310例如是将有机材料设置于两个电极之间而制造出的多稳态存储元件，也就是说，此例中的有机存储单元至少包括两个电极以及设置于两个电极之间的有机材料混合层，故有机存储单元310可用来存储位信息，当然，一个有机存储单元并不限定只能存储一个位的信息。

请继续参照图3，第一开关元件320具有第一端324、第二端326及控制端328，第一开关元件320之第一端324连接至数据线BL_m，第一开关元件320之控制端328连接至写入选择线WWL_n，且第一开关元件320之第二端326连接至有机存储单元310，另外，第二开关元件330也具有第一端334、第二端336及控制端338，第二开关元件330之第一端334连接至数据线BL_m，第二开关元件330之控制端338连接至读出选择线RWL_n，第二开关元件330之第二端336连接至有机存储单元310。当写入选择线WWL_n上之信号致动时，第一开关元件320将有机存储单元310连接至数据线BL_m，以写入位信息至有机存储单元310中；当读出选择线RWL_n上之信号致动时，第二开关元件330将有机存储单元310连接至数据线BL_m，以感测有机存储单元310所存储之位信息。

第一开关元件320与第二开关元件330在此实施例中分别为第一晶体管322与第二晶体管332，则：第一晶体管322之第一源/漏极连接至数据线BL_m，而第一晶体管322之栅极连接至写入选择线WWL_n，第一晶体管322之第二源/漏极连接至有机存储单元310；第二晶体管332之第一源/漏极也连接至数据线BL_m，而第二晶体管332之栅极连接至读出选择线RWL_n，第二晶体管332之第二源/漏极也连接至有机存储单元310。此实施例中的第一及第二晶体管322，332都是使用N型晶体管，但并非限定本发明，也可以使用各种金属氧化物半导体(MOS)晶体管等，当然，也可使用其它如P型晶体管，或是一个使用P型晶体管一个使用N型晶体管。

较佳地，本实施例之有机存储器的位单元中之第一晶体管322的尺寸大于第二晶体管332的尺寸。当写入选择线WWL_n上之信号致动时，第一晶体管322将有机存储单元连接至数据线BL_m，以写入位信息至有机存储单元310，因为第一晶体管322的尺寸较大，所以写入时可以通过较大的电流，以减少改变有机存储单元310之状态所需的时间；当读出选择线RWL_n上之信号致动时，第二晶体管332将有机存储单元310连接至数据线，以根据流经有机存储单元310之传导电流，来感测有机存储单元310之位信息，又因为第二晶体管332的尺寸较小，所以第二晶体管332的寄生电容同样较小，而减少了栅极负载，增快读取处理的时间。

请同时参照图2与图3，当读出选择线RWL_n上之信号致动时，位单元列B(n)内之第二开关元件330会将位单元列B(n)内之有机存储单元310连接至各自的数据线上，而这些数字感测电路220_1，220_2，...，220_j通过各自连接的数据线BL_1，BL_2，...，BL_j，来感测并读出位单元列B(n)内之有机存储单元310所存储的位信息。

图4为本发明另一实施例之一种有机存储器之位单元的电路图，请参照图4。图中表示出有机存储器之位单元M(m，n)，此位单元M(m，n)连接至数据线BL_m、写入选择线WWL_n、以及读出选择线RWL_n，此位单元M(m，n)包括：有机存储单元310、第一开关元件320、电流镜440、以及第二开关元件330。图4中的有机存储单元310、第一开关元件320、第一晶体管322、以及第二开关元件330都与图3中的相同，故不再赘述。而不一样地，此实施例中的第二开关元件330是以P型晶体管做为第二晶体管432，且介于第二开关元件330与数据线BL_m之间还装置有电流镜440，此电流镜440具有第一端446及第二端448，电流镜440之第一端446连接至第二开关元件330之第一端334，电流镜440之第二端448连接至数据线BL_m。换句话说，第二晶体管432之第一源/漏极连接至电流镜440之第一端446，第二晶体管432之栅极连接至读出选择线RWL_n，第二晶体管432之第二源/漏极连接至有机存储单元310。电流镜440之主要作用在于将读取时流经有机存储单元310的传导电流放大，使流经数据线BL_m的读取电流为传导电流的N倍，以增加读取信号强度及与邻近位单元互相干扰的抵抗能力，因此，流经第二端448之电流为流经第一端446之电流的N倍，且N大于等于1。

请继续参照图4，电流镜440包括第三晶体管442以及第四晶体管444，第三晶体管442之第一源/漏极连接至电源，第三晶体管442之栅极连接至第三晶体管442之第二源/漏极，且第三晶体管442之第二源/漏极连接至电流镜440之第一端446，而第四晶体管444之第一源/漏极也连接至电源，第四晶体管444之栅极连接至第三晶体管442之栅极，第四晶体管444之第二源/漏极连接至电流镜440之第二端448。因为第三晶体管442以及第四晶体管444之布局尺寸与设计等因素，使得流经第四晶体管444之第二源/漏极的电流为流经第三晶体管442之第二源/漏极的电流的N倍。当读出选择线RWL_n上之信号致动时，第二晶体管432将有机存储单元310连接至电流镜440之第一端446，则可从数据线BL_m上读取电流的大小来感测有机存储单元310之位信息。

图5为图3之有机存储器之位单元的运行时序图，请参照图5。标记510，520，530分别表示写入1、写入0、及读取三种时序状态。本实施例中，当要写入1时，于数据线BL_m上提供高电位，例如是12V，并致动写入选择线WWL_n上的信号，例如提供12V的高电位，且不致动读出选择线RWL_n上的信号，使得有机存储单元上OM节点的电压超过转变为低阻抗状态的电压，例如是5V；当要写入0时，于数据线BL_m上提供负电位，例如是-5V，并致动写入选择线WWL_n上的信号，例如提供12V的高电位，且不致动读出选择线RWL_n上的信号，使得有机存储单元上OM节点的电压低过转变为高阻抗状态的电压，例如是-5V；当要读取时，于数据线BL_m上提供高电位，例如是12V，并致动读出选择线RWL_n上的信号，例如提供8V的高电位，且不致动写入选择线WWL_n上的信号，使得有机存储单元上OM节点的电压保持在一个中间电位，例如是1V，以判断流经有机存储单元的传导电流之大小。

图6为本发明再一实施例之一种有机存储器之位单元的电路图，请参照图6。图中除了电流镜440内的电路外，其余被表示出的各构件都与图4中的相同，故不再赘述。此电流镜440同样具有第一端446及第二端448，且流经第二端448之电流为流经第一端446之电流的N倍，N大于等于1。不同于图4中的电流镜，此电流镜440为Wilson current mirror结构形式，由3个晶体管612，614，616组成，其优点为此结构可增加输出阻抗，不会因为晶体管的源极与漏极间电压变动，而使得输出之复制电流不准确。

值的注意的是，由于有机材料并不会随着偏压电压消失，而改变其所处的状态，故本发明所提供之有机存储器之位单元可以用来组合成非易失存储器。

从另一种观点来看，本发明所提出之位单元的电路结构并不限定于仅使用于有机存储器，其它如相变存储器(简称PCM)或磁性随机存取存储器(简称MRAM)都应可利用上述中相同的电路结构，仅需把有机存储单元换成相对应不同种类的存储单元即可。

综上所述，本发明所提出了之有机存储器之位单元，至少包括了写入时致动的第一晶体管及读出时致动的第二晶体管，且第一晶体管的尺寸可以大于第二晶体管的尺寸，因此，可以同时兼顾写入时有较大的传导电流而读出时有较快的处理时间。另外，还可包括电流镜，来放大读取时的传导电流，增加与邻近位单元互相干扰的抵抗能力，进而组成一种可量产且实用可行的存储器元件。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种有机存储器之位单元，其特征是连接至数据线、写入选择线、以及读出选择线，该位单元包括：

有机存储单元，用以存储至少一位信息；

第一晶体管，该第一晶体管之源极以及漏极中的一个连接至该数据线，该第一晶体管之栅极连接至该写入选择线，该第一晶体管之源极以及漏极中的另一个连接至该有机存储单元；以及

第二晶体管，该第二晶体管之源极以及漏极中的一个连接至该数据线，该第二晶体管之栅极连接至该读出选择线，该第二晶体管之源极以及漏极中的另一个连接至该有机存储单元。

2.根据权利要求1所述之有机存储器之位单元，其特征是该第一晶体管的尺寸大于该第二晶体管的尺寸。

3.根据权利要求1所述之有机存储器之位单元，其特征是，当该写入选择线之信号致动时，该第一晶体管将该有机存储单元连接至该数据线，以写入该位信息至该有机存储单元，当该读出选择线之信号致动时，该第二晶体管将该有机存储单元连接至该数据线，以感测该有机存储单元之该位信息。

4.根据权利要求3所述之有机存储器之位单元，其特征是感测该有机存储单元之该位信息根据流经该有机存储单元之传导电流来决定。

5.根据权利要求1所述之有机存储器之位单元，其特征是该有机存储单元包括两个电极以及设置于两个电极之间的有机材料混合层。

6.根据权利要求1所述之有机存储器之位单元，其特征是该有机存储器为非易失存储器。

7.一种有机存储器之位单元，其特征是连接至数据线、写入选择线、以及读出选择线，该位单元包括：

有机存储单元，用以存储至少一位信息；

第一晶体管，该第一晶体管之源极以及漏极中的一个连接至该数据线，该第一晶体管之栅极连接至该写入选择线，该第一晶体管之源极以及漏极中的另一个连接至该有机存储单元；

电流镜，具有第一端及第二端，该第二端连接至该数据线，且流经该第二端之电流为流经该第一端之电流的N倍，N大于等于1；以及

第二晶体管，该第二晶体管之源极以及漏极中的一个连接至该电流镜之该第一端，该第二晶体管之栅极连接至该读出选择线，该第二晶体管之源极以及漏极中的另一个连接至该有机存储单元。

8.根据权利要求7所述之有机存储器之位单元，其特征是该第一晶体管的尺寸大于该第二晶体管的尺寸。

9.根据权利要求7所述之有机存储器之位单元，其特征是该电流镜包括：

第三晶体管，该第三晶体管之源极以及漏极中的一个连接至电源，该第三晶体管之源极以及漏极中的另一个同时连接至该第三晶体管之栅极以及该电流镜之该第一端；以及

第四晶体管，该第四晶体管之源极以及漏极中的一个连接至该电源，该第四晶体管之栅极连接至该第三晶体管之栅极，该第四晶体管之源极以及漏极中的另一个连接至该电流镜之该第二端。

10.根据权利要求7所述之有机存储器之位单元，其特征是，当该写入选择线之信号致动时，该第一晶体管将该有机存储单元连接至该数据线，以写入该位信息至该有机存储单元，当该读出选择线之信号致动时，该第二晶体管将该有机存储单元连接至该电流镜之该第一端，则可从该数据线上电流的大小来感测该有机存储单元之该位信息。

11.根据权利要求7所述之有机存储器之位单元，其特征是该有机存储单元包括两个电极以及设置于两个电极之间的有机材料混合层。

12.根据权利要求7所述之有机存储器之位单元，其特征是该有机存储器为非易失存储器。

13.一种有机存储器之位单元，其特征是连接至数据线、写入选择线、以及读出选择线，包括：

有机存储单元，用以存储至少一位信息；

第一开关元件，具有第一端、第二端及控制端，该第一开关元件之第一端连接至该数据线，该第一开关元件之控制端连接至该写入选择线，该第一开关元件之第二端连接至该有机存储单元；以及

第二开关元件，具有第一端、第二端及控制端，该第二开关元件之第一端连接至该数据线，该第二开关元件之控制端连接至该读出选择线，该第二开关元件之第二端连接至该有机存储单元，

其中，当该写入选择线之信号致动时，该第一开关元件将该有机存储单元连接至该数据线，以写入该位信息至该有机存储单元，当该读出选择线之信号致动时，该第二开关元件将该有机存储单元连接至该数据线，以感测该有机存储单元之该位信息。

14.根据权利要求13所述之有机存储器之位单元，其特征是感测该有机存储单元之该位信息根据流经该有机存储单元之传导电流来决定。

15.根据权利要求13所述之有机存储器之位单元，其特征是还包括介于该第二开关元件与该数据线之间的电流镜，其具有第一端及第二端，该第一端连接至该第二开关元件之第一端，该第二端连接至该数据线，且流经该第二端之电流为流经该第一端之电流的N倍，N大于等于1。

16.根据权利要求13所述之有机存储器之位单元，其特征是该有机存储单元包括两个电极以及设置于两个电极之间的有机材料混合层。

17.根据权利要求13所述之有机存储器之位单元，其特征是该有机存储器为非易失存储器。